一种采用聚苯胺电极去除水中氟离子的电化学水处理方法

摘要

本发明公开了一种采用聚苯胺电极去除水中氟离子的电化学水处理方法，包括如下步骤：1)制备聚苯胺膜电极；2)通过电化学反应去除氟离子；3)脱附再生使用后的电极。本发明不同于传统的化学吸附，利用聚苯胺独特的电化学特性，通过外加电压可以极大提高聚苯胺对氟离子的吸附能力。本发明氟离子去除能力强，单位质量氟离子去除能力达到20mg/g以上，是一般吸附剂的5-10倍；同时，本发明具有反应仪器结构简单、去除过程操作方便、运行稳定、反应速度快、氟离子去除效果好、电极使用寿命长等特点，还能有效地避免二次污染。

说明书

技术领域

本发明属于水污染处理技术领域，具体涉及一种采用聚苯胺电极去除水中氟 离子的电化学水处理方法。

背景技术

氟离子是一种常见的水体污染物。氟是人体维持骨骼和牙齿正常发育必不可 少的微量元素之一，但长期饮用含氟量过高的水可能导致氟中毒。我国规定生活 饮用水中氟含量应低于1.0mg/L。因此，如何有效地去除水中氟离子是关系到 环境和人类健康的重要课题。

目前，国内外除氟的方法主要有沉淀法、电凝聚法、电渗析法、反渗透法、 离子交换法等。但这些技术由于存在方法复杂、成本较高或二次污染等问题，限 制了其在实际生产中的应用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的方法复杂、成本较高或二次污染等问题， 本发明的目的是提供一种采用聚苯胺电极去除水中氟离子的电化学水处理方法， 使氟离子得到高效去除并可浓缩富集。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种采用聚苯胺 电极去除水中氟离子的电化学水处理方法，包括如下步骤：

1)制备聚苯胺膜电极：将两片惰性电级置于含有0.1-0.5mol/L苯胺和 0.5-1.0mol/L盐酸的混合溶液中，该两片惰性电极分别作为阴极和阳极，在阴 阳两级上加载1.0-3.0V电压，进行10-30分钟的电化学合成，制备负载盐酸掺 杂聚苯胺膜的电极；

2)去除氟离子：以步骤1)中负载盐酸掺杂聚苯胺膜的电极作为阳极，另 一片电极作为阴极，制备电化学反应器(以下简称反应器)，在阴阳两级上加载 0.5-2.0V电压，将氟污染水体通过反应器，实现氟离子的高效去除；

3)脱附再生使用后的电极：在所述反应器中的聚苯胺膜吸附氟离子饱和后， 向反应器内注入0.5-1.0mol/L的盐酸再生液，将负载盐酸掺杂聚苯胺膜的电极 作为阴极，另一片电极作为阳极，在阴阳两级上加载0.8-1.0V电压，利用聚苯 胺膜的电化学去掺杂能力，实现电极的高效脱附再生。

采用石墨、铂等性能稳定的材料制作电极，可以有效地避免聚苯胺膜合成以 及电极再生过程中酸对电极材料的破坏和腐蚀，而不能采用铁、铜等化学性质较 为活泼的金属电极。本方法推荐采用成本相对低廉的石墨电极，从而在保证电极 较长的使用寿命和反应器稳定运行的同时有效地控制成本。聚苯胺对氟离子的吸 附具有特定的选择性，即聚苯胺膜对水中可能存在的氯离子、硝酸根、硫酸根等 共存离子不存在吸附作用，只对氟离子产生吸附去除效果。该方案对氟离子去除 的最佳pH值在4-6的范围内，对天然水体也具有良好的去除效果。在电极需要 脱附再生时，无需将反应器拆解，只需向反应器中注入脱附液，并改变外加电压 方向。脱附液为0.5-1.0mol/L的盐酸溶液，脱附再生液的体积缩小为原处理水 量的1/50，实现了氟离子的浓缩富集，同时有效地避免了二次污染。

所述两片惰性电极之间采用绝缘橡胶密封层隔开，并且两电极间距为 5-15mm，这样既能保证氟离子的快速去除，又可以提高电流利用效率，降低反应 所需能耗。

所述步骤2)中，可以根据实际需要，调整电极面积大小，通过改变流速， 在氟离子浓度为10-50mg/L时，氟污染水体通过反应器的时间仅需0.5-1分钟， 对氟离子去除速度快。

所述步骤3)中，加载0.8-1.0V电压的时间可为15-30分钟。

有益效果：本发明不同于传统的化学吸附，利用聚苯胺独特的电化学特性， 通过外加电压可以极大提高聚苯胺对氟离子的吸附能力。本发明氟离子去除能力 强，单位质量氟离子去除能力达到20mg/g以上，是一般吸附剂的5-10倍；同 时，本发明具有反应仪器结构简单、去除过程操作方便、运行稳定、反应速度快、 氟离子去除效果好、电极使用寿命长等特点，还能有效地避免二次污染。

附图说明

图1为聚苯胺膜电极对水中氟离子电化学吸附-解吸附机理示意图；

图2为聚苯胺膜电极再生前后，反应器对水中氟离子电化学的去除效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

导电高聚物具有质轻、导电性能好、环境稳定性好、易于合成、绿色环保等 特点，在新型电池材料、金属防腐、环境净化等诸多领域都有着潜在的应用前景。 其中，聚苯胺(PANI)因其具有原料廉价易得、合成方法简单、环境稳定性好以及 氧化还原形态完全可逆等特性成为国内外研究者关注的热点材料之一。聚苯胺具 有独特的掺杂-去掺杂特性，能够通过外加电场实现水中阴、阳离子污染物与聚 合物基体的结合与分离。其具体过程如图1所示：首先，通过电化学聚合作用可 以在电极表面简便地合成聚苯胺膜；其次当聚苯胺膜电极作为阳极时，在一定电 压下，其对氟离子有特异吸附效果；而当吸附了氟离子的聚苯胺膜作为阴极时， 可以通过还原作用使聚苯胺膜脱附再生，达到循环使用的目的。因此，采用聚苯 胺膜电极去除水中氟离子的电化学水处理方法具有极大的应用前景。

实施例1：

运行条件及参数：将两片惰性电级置于含有0.1mol/L苯胺和0.5mol/L盐 酸的混合溶液中，聚苯胺膜合成时间10分钟，合成电压(即为权利要求1步骤 1)中的电压，下同)1.0V，氟离子初始浓度为5mg/L的自来水，处理电压(即 为权利要求1步骤2)中的电压，下同)为1.5V，溶液pH＝6，停留时间0.5分 钟，运行过程中，采用3×5cm2大小的电极，电极间距5mm。

再生条件：再生液为0.5mol/L稀盐酸，再生液用量50ml，将负载盐酸掺 杂聚苯胺膜的电极作为阴极，另一片电极作为阳极，在阴阳两级上加载0.8V电 压，再生时间15分钟。

效果：可以发现电极第一次使用可以得到900ml的达标水(氟离子浓度小 于1.0mg/L)，电极再生后可以得到800ml的达标水，也就是说电极具有良好的 再生效果，可以多次使用。具体效果见图2。

实施例2：

运行条件及参数：将两片惰性电级置于含有0.1mol/L苯胺和1.0mol/L盐 酸的混合溶液中，聚苯胺膜合成时间10分钟，合成电压3.0V，氟离子初始浓 度为5mg/L的自来水，处理电压为1.5V，溶液pH＝6，停留时间1分钟，运行 过程中，采用3×5cm²大小的电极，电极间距15mm。

共存离子：分别为氯离子，硝酸根，硫酸根(浓度均为0.10mol/L)

再生条件：再生液为1.0mol/L稀盐酸，再生液用量50ml，将负载盐酸掺 杂聚苯胺膜的电极作为阴极，另一片电极作为阳极，在阴阳两级上加载1.0V电 压，再生时间15分钟。

效果：结果表明，本方法对水中氟离子的去除效果基本不受以上三种共存离 子的影响，处理所得达标(氟离子浓度小于1.0mg/L)水量以及单位质量聚苯 胺除氟量均较为接近，并且氯离子、硫酸根、硝酸根的浓度没有发生明显变化。 具体效果见表1。

表1  共存离子对处理效果的影响

实施例3：

运行条件及参数：将两片惰性电级置于含有0.5mol/L苯胺和0.5mol/L盐 酸的混合溶液中，聚苯胺膜合成时间分别为5、10、20、30分钟，合成电压1.0 V，氟离子初始浓度为5mg/L的自来水，处理电压为1.5V，溶液pH＝6，停留 时间1分钟，运行过程中，采用3×5cm²大小的电极，电极间距15mm。

效果：可以发现，聚苯胺膜合成时间5分钟时处理效果较差，合成时间10-30 分钟时处理效果相近，考虑到节约时间及减少成本等因素，建议采用合成时间 10分钟。具体效果见表2。

表2  聚苯胺膜合成时间对处理效果的影响

实施例4：

运行条件及参数：将两片惰性电级置于含有0.5mol/L苯胺和1.0mol/L盐 酸的混合溶液中，聚苯胺膜合成时间10分钟，合成电压1.0V，氟离子初始浓 度为5mg/L的自来水，处理电压分别为0.5、1.0、1.5、2.0V，溶液pH＝6， 停留时间1分钟，运行过程中，采用3×5cm²大小的电极，电极间距5mm。

效果：可以发现，处理电压在0.5-2.0V范围内，处理效果线增加后减 少，其中处理电压为1.5V时处理效果最好，建议采用处理电压1.5V。具体效 果见表3。

表3  处理电压对处理效果的影响

实施例5：

运行条件及参数：将两片惰性电级置于含有0.3mol/L苯胺和0.7mol/L盐 酸的混合溶液中，聚苯胺膜合成时间10分钟，合成电压1.0V，氟离子初始浓 度分别为5、10、20、50mg/L的自来水，处理电压为1.5V，溶液pH＝6，停留 时间1分钟，运行过程中，采用3×5cm²大小的电极。

效果：可以发现，氟离子初始浓度为5-50mg/L范围内，本方法均有较好 的氟离子去除效果。具体效果见表4。

表4  不同氟离子初始浓度条件下的处理效果